Unanticipated structural and functional properties of delta-subunit-containing GABAA receptors

GABA(A) receptors mediate inhibitory neurotransmission in the mammalian brain via synaptic and extrasynaptic receptors. The delta (delta)-subunit-containing receptors are expressed exclusively extra-synaptically and mediate tonic inhibition. In the present study, we were interested in determining the architecture of receptors containing the delta-subunit. To investigate this, we predefined the subunit arrangement by concatenation. We prepared five dual and three triple concatenated subunit constructs. These concatenated dual and triple constructs were used to predefine nine different GABA(A) receptor pentamers. These pentamers composed of alpha(1)-, beta(3)-, and delta-subunits were expressed in Xenopus oocytes and maximal currents elicited in response to 1 mm GABA were determined in the presence and absence of THDOC (3alpha, 21-dihydroxy-5alpha-pregnane-20-one). beta(3)-alpha(1)-delta/alpha(1)-beta(3) and beta(3)-alpha(1)-delta/beta(3)-alpha(1) resulted in the expression of large currents in response to GABA. Interestingly, the presence of the neurosteroid THDOC uncovered alpha(1)-beta(3)-alpha(1)/beta(3)-delta receptors, additionally. The functional receptors were characterized in detail using the agonist GABA, THDOC, Zn(2+), and ethanol and their properties were compared with those of non-concatenated alpha(1)beta(3) and alpha(1)beta(3)delta receptors. Each concatenated receptor isoform displayed a specific set of properties, but none of them responded to 30 mm ethanol. We conclude from the investigated receptors that delta can assume multiple positions in the receptor pentamer. The GABA dose-response properties of alpha(1)-beta(3)-alpha(1)/beta(3)-delta and beta(3)-alpha(1)-delta/alpha(1)-beta(3) match most closely the properties of non-concatenated alpha(1)beta(3)delta receptors. Furthermore, we show that the delta-subunit can contribute to the formation of an agonist site in alpha(1)-beta(3)-alpha(1)/beta(3)-delta receptors.

Relative positioning of classical benzodiazepines to the γ2-subunit of GABAA receptors.

GABAA receptors are the major inhibitory neurotransmitter receptors in the brain. Benzodiazepine exert their action via a high affinity-binding site at the α/γ subunit interface on some of these receptors. Diazepam has sedative, hypnotic, anxiolytic, muscle relaxant, and anticonvulsant effects. It acts by potentiating the current evoked by the agonist GABA. Understanding specific interaction of benzodiazepines in the binding pocket of different GABAA receptor isoforms might help to separate these divergent effects. As a first step, we characterized the interaction between diazepam and the major GABAA receptor isoform α1β2γ2. We mutated several amino acid residues on the γ2-subunit assumed to be located near or in the benzodiazepine binding pocket individually to cysteine and studied the interaction with three ligands that are modified with a cysteine-reactive isothiocyanate group (-NCS). When the reactive NCS group is in apposition to the cysteine residue this leads to a covalent reaction. In this way, three amino acid residues, γ2Tyr58, γ2Asn60, and γ2Val190 were located relative to classical benzodiazepines in their binding pocket on GABAA receptors.

Moderate concentrations of 4-O-methylhonokiol potentiate GABAA receptor currents stronger than honokiol

BACKGROUND Magnolia bark preparations from Magnolia officinalis of Asian medicinal systems are known for their muscle relaxant effect and anticonvulsant activity. These CNS related effects are ascribed to the presence of the biphenyl-type neolignans honokiol and magnolol that exert a potentiating effect on GABAA receptors. 4-O-methylhonokiol isolated from seeds of the North-American M. grandiflora was compared to honokiol for its activity to potentiate GABAA receptors and its GABAA receptor subtype-specificity was established. METHODS Different recombinant GABAA receptors were functionally expressed in Xenopus oocytes and electrophysiological techniques were used determine to their modulation by 4-O-methylhonokiol. RESULTS 3μM 4-O-methylhonokiol is shown here to potentiate responses of the α₁β₂γ₂ GABAA receptor about 20-fold stronger than the same concentration of honokiol. In the present study potentiation by 4-O-methylhonokiol is also detailed for 12 GABAA receptor subtypes to assess GABAA receptor subunits that are responsible for the potentiating effect. CONCLUSION The much higher potentiation of GABAA receptors at identical concentrations of 4-O-methylhonokiol as compared to honokiol parallels previous observations made in other systems of potentiated pharmacological activity of 4-O-methylhonokiol over honokiol. GENERAL SIGNIFICANCE The results point to the use of 4-O-methylhonokiol as a lead for GABAA receptor potentiation and corroborate the use of M. grandiflora seeds against convulsions in Mexican folk medicine.

Positive modulation of synaptic and extrasynaptic GABAA receptors by an antagonist of the high affinity benzodiazepine binding site.

GABAA receptors are the major inhibitory neurotransmitter receptors in the brain and are the target for many clinically important drugs such as the benzodiazepines. Benzodiazepines act at the high-affinity binding site at the α+/γ- subunit interface. Previously, an additional low affinity binding site for diazepam located in the transmembrane (TM) domain has been described. The compound SJM-3 was recently identified in a prospective screening of ligands for the benzodiazepine binding site and investigated for its site of action. We determined the binding properties of SJM-3 at GABAA receptors recombinantly expressed in HEK-cells using radioactive ligand binding assays. Impact on function was assessed in Xenopus laevis oocytes with electrophysiological experiments using the two-electrode voltage clamp method. SJM-3 was shown to act as an antagonist at the α+/γ- site. At the same time it strongly potentiated GABA currents via the binding site for diazepam in the transmembrane domain. Mutation of a residue in M2 of the α subunit strongly reduced receptor modulation by SJM-3 and a homologous mutation in the β subunit abolished potentiation. SJM-3 acts as a more efficient modulator than diazepam at the site in the trans-membrane domain. In contrast to low concentrations of benzodiazepines, SJM-3 modulates both synaptic and extrasynaptic receptors. A detailed exploration of the membrane site may provide the basis for the design and identification of subtype-selective modulatory drugs.

Modulatory Effects of Eschscholzia californica Alkaloids on Recombinant GABAA Receptors.

The California poppy (Eschscholzia californica Cham.) contains a variety of natural compounds including several alkaloids found exclusively in this plant. Because of the sedative, anxiolytic, and analgesic effects, this herb is currently sold in pharmacies in many countries. However, our understanding of these biological effects at the molecular level is still lacking. Alkaloids detected in E. californica could be hypothesized to act at GABAA receptors, which are widely expressed in the brain mainly at the inhibitory interneurons. Electrophysiological studies on a recombinant α 1 β 2 γ 2 GABAA receptor showed no effect of N-methyllaurotetanine at concentrations lower than 30 μM. However, (S)-reticuline behaved as positive allosteric modulator at the α 3, α 5, and α 6 isoforms of GABAA receptors. The depressant properties of aerial parts of E. californica are assigned to chloride-current modulation by (S)-reticuline at the α 3 β 2 γ 2 and α 5 β 2 γ 2 GABAA receptors. Interestingly, α 1, α 3, and α 5 were not significantly affected by (R)-reticuline, 1,2-tetrahydroreticuline, codeine, and morphine-suspected (S)-reticuline metabolites in the rodent brain.

Functional sites involved in modulation of the GABAA receptor channel by the intravenous anesthetics propofol, etomidate and pentobarbital.

GABAA receptors are the major inhibitory neurotransmitter receptors in the brain and are the target for many clinically important drugs. Among the many modulatory compounds are also the intravenous anesthetics propofol and etomidate, and barbiturates. The mechanism of receptor modulation by these compounds is of mayor relevance. The site of action of these compounds has been located to subunit interfaces in the intra-membrane region of the receptor. In α1β2γ2 GABAA receptors there are five such interfaces, two β+/α- and one each of α+/β-, α+/γ- and γ+/β- subunit interfaces. We have used reporter mutations located in the second trans-membrane region in different subunits to probe the effects of changes at these subunit interfaces on modulation by propofol, etomidate and pentobarbital. We provide evidence for the fact that each of these compounds either modulates through a different set of subunit interfaces or through the same set of subunit interfaces to a different degree. As a GABAA receptor pentamer harbors two β+/α- subunit interfaces, we used concatenated receptors to dissect the contribution of individual interfaces and show that only one of these interfaces is important for receptor modulation by etomidate.

A new chromanone derivative isolated from Hypericum lissophloeus (Hypericaceae) potentiates GABAA receptor currents in a subunit specific fashion.

A phytochemical investigation of the lipophilic extract of Hypericum lissophloeus (smoothbark St. John's wort, Hypericaceae) was conducted, resulting in the isolation and identification of a new chromanone derivative: 5,7-dihydroxy-2,3-dimethyl-6-(3-methyl-but-2-enyl)-chroman-4-one (1). This compound was demonstrated to act as a potent stimulator of currents elicited by GABA in recombinant α1β2γ2 GABAA receptors, with a half-maximal potentiation observed at a concentration of about 4μM and a maximal potentiation of >4000%. Significant potentiation was already evident at a concentration as low as 0.1μM. Extent of potentiation strongly depends on the type of α subunit, the type of β subunit and the presence of the γ subunit.

CO2-induced ocean acidification increases anxiety in Rockfish via alteration of GABAA receptor functioning

The average surface pH of the ocean is dropping at a rapid rate due to the dissolution of anthropogenic CO2, raising concerns for marine life. Additionally, some coastal areas periodically experience upwelling of CO2-enriched water with reduced pH. Previous research has demonstrated ocean acidification (OA)-induced changes in behavioural and sensory systems including olfaction, which is due to altered function of neural gamma-aminobutyric acid type A (GABAA) receptors. Here, we used a camera-based tracking software system to examine whether OA-dependent changes in GABAA receptors affect anxiety in juvenile Californian rockfish (Sebastes diploproa). Anxiety was estimated using behavioural tests that measure light/dark preference (scototaxis) and proximity to an object. After one week in OA conditions projected for the next century in the California shore (1125 ± 100 µatm, pH 7.75), anxiety was significantly increased relative to controls (483 ± 40 µatm CO2, pH 8.1). The GABAA-receptor agonist muscimol, but not the antagonist gabazine, caused a significant increase in anxiety consistent with altered Cl- flux in OA-exposed fish. OA-exposed fish remained more anxious even after 7 days back in control seawater; however, they resumed their normal behaviour by day 12. These results show that OA could severely alter rockfish behaviour; however, this effect is reversible.

Diazepam-induced changes in sleep: Role of the α1 GABAA receptor subtype

Ligands acting at the benzodiazepine (BZ) site of γ-aminobutyric acid type A (GABAA) receptors currently are the most widely used hypnotics. BZs such as diazepam (Dz) potentiate GABAA receptor activation. To determine the GABAA receptor subtypes that mediate the hypnotic action of Dz wild-type mice and mice that harbor Dz-insensitive α1 GABAA receptors [α1 (H101R) mice] were compared. Sleep latency and the amount of sleep after Dz treatment were not affected by the point mutation. An initial reduction of rapid eye movement (REM) sleep also occurred equally in both genotypes. Furthermore, the Dz-induced changes in the sleep and waking electroencephalogram (EEG) spectra, the increase in power density above 21 Hz in non-REM sleep and waking, and the suppression of slow-wave activity (SWA; EEG power in the 0.75- to 4.0-Hz band) in non-REM sleep were present in both genotypes. Surprisingly, these effects were even more pronounced in α1(H101R) mice and sleep continuity was enhanced by Dz only in the mutants. Interestingly, Dz did not affect the initial surge of SWA at the transitions to sleep, indicating that the SWA-generating mechanisms are not impaired by the BZ. We conclude that the REM sleep inhibiting action of Dz and its effect on the EEG spectra in sleep and waking are mediated by GABAA receptors other than α1, i.e., α2, α3, or α5 GABAA receptors. Because α1 GABAA receptors mediate the sedative action of Dz, our results provide evidence that the hypnotic effect of Dz and its EEG “fingerprint” can be dissociated from its sedative action.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

GABAA receptor beta subunit mRNA expression in the human alcoholic brain

A competitive RT-PCR assay was used to quantify the expression of the GABA(A) receptor beta(1), beta(2) and beta(3) isoform mRNA transcripts in the superior frontal cortex and motor cortex of 21 control and 22 alcoholic cases. A single set of primers was designed that permitted amplification of all three transcripts and the internal standard simultaneously; differentiation of the individual transcripts was achieved by restriction enzyme digestion. Construction of a standard curve, using the internal standard and a concentration range of beta(2) cRNA-enabled quantitation of mRNA expression levels. No significant difference in mRNA expression was found between the control and alcoholic case groups in either the superior frontal or motor cortex for the beta(2) or beta(3) isoforms. A significant interaction was found between isoform and area, although, the two case groups did not partition on this measure. The interaction was due to a significant difference between superior frontal and motor cortex for the beta(3) isoform; this regional comparison was not significant for beta(2) mRNA. Age at death and post-mortem delay (PMD) had no significant effect on beta mRNA expression in either case group in either region. A beta(1) signal could not be detected in the RT-PCR assay. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.